多层钢框架整体结构抗火混合试验方法研究

发布时间：2020-11-09 16:15

　　目前,通常以恒定边界条件下单个构件抗火试验研究结构火灾荷载的响应,这种试验方法相对容易且经济,但边界条件不能与真实情况相符。整体结构抗火试验是研究结构抗火性能的另一种方法,该方法考虑到真实的边界条件,结果相对准确,但成本过高。抗火混合试验方法结合单个构件抗火试验方法和整体结构抗火试验方法的优点,将整体结构分成数值子结构和试验子结构,在考虑周围构件约束作用的同时对试验子结构进行真实火灾试验,数值子结构利用大型有限元软件进行数值模拟,试验子结构和数值子结构之间通过边界条件和数据交换来满足力学平衡和边界协调,充分利用现有试验设备,以考虑约束条件的子结构试验方法完成整体结构火灾试验,得到更具可靠性的整体结构抗火性能。本文主要内容如下:(1)介绍了结构抗火分析中一些基础理论知识。一方面介绍了传热学基本原理和材料热工参数,对不同的参数进行选取并运用于抗火性能分析中;另一方面阐述了抗火混合试验基本原理与数据转换,整理了抗火混合试验基本步骤,为结构抗火性能研究奠定基础。(2)利用有限元分析方法模拟抗火混合试验过程。以钢框架为整体结构,选取中柱为试验子结构,剩余部分为数值子结构,进行抗火混合试验,试验过程中控制子结构的边界条件实时交互,控制结构在试验过程中的平衡与协调,验证抗火混合试验的可行性。(3)研究抗火混合试验方法的适用条件。抗火混合试验中试验子结构和数值子结构的边界条件包括约束和界面条件。根据约束条件的数量不同将子结构分成四种情况,分别进行抗火混合试验,以便更好地理解约束条件的数量如何影响抗火混合试验过程。(4)研究在不同区域受火作用时整体结构的破坏情况。将抗火混合试验方法应用于多层钢框架,火灾区域分成六个区域,研究在不同区域发生火灾时钢框架结构的破坏情况,并对结果进行分析对比,得出不同区域发生火灾对整体结构的影响大小。
【学位单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU391;TU352.5
【部分图文】：

温度曲线,钢柱,破坏情况

图 1- 9 约束 Q460 钢柱破坏情况同济大学李国强，王培军，王永昌[13,14]在抗火试验炉中进行了约束钢柱试验，试验过程中以钢柱所受约束的刚度为试验变化参数并测量钢柱温度、位移和残余变形。在进行试验的同时，利用有限元软件进行了同等条件下钢柱的数值模拟分析。试验结果与数值模拟结果对比发现两者吻合较好，利用有限元软件研究约束钢柱抗火性能时能够得到较为准确的结果，大大降低试验成本。如图 1-10、1-11 为约束钢柱残余变形与有限元模型。研究了约束钢柱在轴力和弯矩共同作用下的抗火性能。对轴力-温度曲线，跨中弯矩-温度曲线进行分析，对有无约束钢柱分析结果进行对比，得到钢柱的破坏温度和屈曲温度差异。经过对试验结果的分析发现，在约束钢柱屈曲以前，轴力逐渐增加，弯矩变化小，而在屈曲后，弯矩变化急剧增大，轴向荷载比和弯矩荷载比越大约束钢柱的破坏温度越小，端部弯矩比对约束钢柱的破坏温度影响较小。同时还对钢柱的抗火设计方法[15-17]等内容进行了相关研究，为结构的抗火设计提供了充分的理论基础。如图 1-12 所示为约束钢柱破坏温度与屈曲温度的关系。

钢柱,残余变形

图 1- 9 约束 Q460 钢柱破坏情况李国强，王培军，王永昌[13,14]在抗火试验炉中进行了钢柱所受约束的刚度为试验变化参数并测量钢柱温度验的同时，利用有限元软件进行了同等条件下钢柱的值模拟结果对比发现两者吻合较好，利用有限元软件得到较为准确的结果，大大降低试验成本。如图 1-1有限元模型。研究了约束钢柱在轴力和弯矩共同作用曲线，跨中弯矩-温度曲线进行分析，对有无约束钢柱的破坏温度和屈曲温度差异。经过对试验结果的分析轴力逐渐增加，弯矩变化小，而在屈曲后，弯矩变化荷载比越大约束钢柱的破坏温度越小，端部弯矩比对。同时还对钢柱的抗火设计方法[15-17]等内容进行了相供了充分的理论基础。如图 1-12 所示为约束钢柱破坏

钢柱,有限元模型